Cơ sở điều khiển tự động

Lịch sử phát triển của điều khiển tự động được ghi nhận từ trước công nguyên, bắt đầu từ đồng hồ nước có phao điều chỉnh Ktesibios ở Hy Lạp. Hệ điều chỉnh nhiệt độ đầu tiên do Cornelis Drebble (1572 - 1633) người Hà Lan sáng chế. Hệ điều chỉnh mức đầu tiên là của Polzunou người Nga (1765) Hệ điều chỉnh tốc độ được ứng dụng trong công nghiệp đầu tiên là của Jame Watt (1769). Thế chiến lần thứ hai đòi hỏi sự phát triển về lý thuyết và ứng dụng để có những máy bay lái tự động, những hệ điều khiển vị trí cúa loại pháo, điều khiển các loại vũ khí khác, điều khiển tự động các rađa v.v Những năm 1950, các phương pháp toán học và phân tích đã phát triển và đưa vào ứng dụng nhanh chóng. ở Mỹ thịnh hành hướng nghiên cứu trong miền tần số với các công trình ứng dụng của Bode, Nyquist và Black ở các trung tâm thí nghiệm điện tín. Trong khi ấy, ở Liên Xô (cũ) ngự trị lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng trong miền thời gian.

pdf152 trang | Chia sẻ: tlsuongmuoi | Ngày: 16/07/2013 | Lượt xem: 1674 | Lượt tải: 8download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Cơ sở điều khiển tự động, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ặt phẳng z Hình 7.1 Phân vùng ổn định trên mặt phẳng nghiệm số Re[z] j.Im[z] α j.α Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 112 - Hệ thống điều khiển rời rạc tuyến tính sẽ ổn định nếu PTĐT của hệ thống có ít nhất một nghiệm thực hoặc phức có module bằng 1 ( 1z = ) và các nghiệm còn lại là nghiệm thực hoặc phức có module nhỏ hơn 1. Như vậy, nếu tất cả các nghiệm của PTĐT nằm trên tia OA (hình 7.2a), tất cả các nghiệm đều là nghiệm thực thì quá trình quá độ của hệ thống sẽ không dao động (hình 7.2b). Nếu có nghiệm nằm ngoài đoạn OA (PTĐT có nghiệm phức) thì quá trình quá độ có dao động. Tần số dao động của hệ thống phụ thuộc vào vị trí phân bố của các nghiệm số. Nếu tất cả các nghiệm của PTĐT phân bố ở góc phần tư thứ I và IV (nghiệm phức luôn đi thành cặp) thì tần số dao động của hệ thống nằm trong khoảng 0 2π< Ω < (nghiệm nằm trên trục OB có tần số dao động 2πΩ = ). Nghiệm nằm trên trục OC cho ta tần số dao động πΩ = . Hình 7.2b,c,d mô tả đường biến thiên của tín hiệu ra ứng với vị trí các nghiệm của PTĐT trên mặt phẳng z (hình 7.2a). 7.2.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số 7.2.2.1 Phương pháp biến đổi bảo toàn hình dạng Tương tự như hệ thống liên tục tuyến tính, việc giải PTĐT của hệ thống cũng rất phức tạp, vì vậy ta phải dùng các phương pháp khác để xét tính ổn định của hệ thống khi không thể tìm được sự phân bố nghiệm số của hệ thống. Giả sử hệ thống điều khiển rời rạc có PTĐT dạng: t t t 5 C 6 (d) t 1 t A t 2 (b) t 3 t B t 4 (c) (a) I IV II III 0 1 A 2 3 B 4 5 C 6 Hình 7.2 Đặc tính quá độ theo sự phân bố nghiệm số Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 113 10 1 1... 0 l l l la z a z a z a − −+ + + + = (7.8) Thay 1 1 vz v += − vào PTĐT và biến đổi, ta có phương trình tương đương theo biến v là: 10 1 1... 0 l l l lA v A v A v A − −+ + + + = (7.9) Hình 7.3 minh họa mối quan hệ tương quan sự phân bố nghiệm v của phương trình (7.9) với nghiệm z của phương trình (7.8). - Nếu nghiệm v nằm bên trái trục ảo ta có 1 1v v+ < − hay 1z < , tương đương với nghiệm z nằm trong đường tròn đơn vị. - Nếu nghiệm nằm bên phải trục ảo thì 1 1v v+ > − hay 1z > , tương đương với nghiệm z nằm ngoài đường tròn đơn vị. - Nếu nghiệm nằm trên trục ảo thì 1 1v v+ = − hay 1z = , tương đương với nghiệm z nằm trên đường tròn đơn vị. Như vậy, khi chuyển từ mặt phẳng z sang mặt phẳng v thì việc xét tính ổn định của hệ thống cũng chuyển từ điều kiện 1z < sang điều kiện là tất cả các nghiệm của phương trình (7.9) phải nằm bên trái trục ảo. Các tiêu chuẩn đại số dùng để xét tính ổn định cho hệ thống điều khiển liên tục hoàn toàn có thể áp dụng để xét ổn định cho hệ rời rạc trong mặt phẳng v . ω α 1v − 1v + 1v − 1v − 1v + 1v + v v v Hình 7.3 Mối quan hệ giữa nghiệm số v và module của z Mặt phẳng z Mặt phẳng v Hình 7.4 Sự biến đổi tương đương giữa hai mặt phẳng 1 Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 114 Ví dụ 7.1: Xét ổn định của hệ rời rạc có PTĐT bậc 2 dạng: 22 3 4 0z z+ + = Giải: Thay 1 1 vz v += − vào PTĐT, sau khi biến đổi ta có phương trình theo biến v dạng: 29 4 3 0v v− + = Theo tiêu chuẩn ổn định đại số cho hệ liên tục thì hệ thống này không ổn định vì có hệ số 1 4 0a = − < . Vậy hệ rời rạc đã cho không ổn định. Ví dụ 7.2: Xét ổn định của hệ rời rạc có PTĐT bậc nhất dạng: 0 1 0a z a+ = Giải: Thay 1 1 vz v += − vào PTĐT, sau khi biến đổi ta có phương trình theo biến v dạng: ( )0 1 0 1 0a a v a a+ + − = Theo tiêu chuẩn ổn định đại số thì hệ có PTĐT bậc nhất sẽ ổn định khi các hệ số của nó cùng dấu: ( )( )0 1 0 1 0a a a a+ − > Giải bất phương trình này ta có điều kiện để hệ ổn định là 0 1a a> Nhận xét: Hệ rời rạc kém ổn định hơn hệ liên tục. Đối với hệ liên tục, nếu hệ thống có PTĐT bậc nhất hoặc bậc 2 với các hệ số dương thì hệ thống đó luôn ổn định, còn trong hệ rời rạc, tính ổn định của hệ thống phụ thuộc vào dấu giá trị của các hệ số trong PTĐT. 7.2.2.2 Tiêu chuẩn Jury Tiêu chuẩn Jury là tiêu chuẩn khảo sát tính ổn định của hệ rời rạc đối với các hệ thống có PTĐT có bậc l lớn. Tiêu chuẩn Jury được xây dựng như sau: Giả sử hệ thống rời rạc có PTĐT dạng: ( ) 10 1 1... 0l l l lA z a z a z a z a− −= + + + + = (7.10) * Lập bảng Jury: Số hàng 1 la 1la − … 1a 0a 2 0a 1a … 1la − la 3 1lb − 2lb − … 0b 4 0b 1b … 1lb − … … … … … ( )2 3l − Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 115 trong đó: 0 1 0 l l l a a b a a− = 1 2 0 1 l l l a a b a a− − = … 1 0 1 l l k k k a a b a a − − + = 1 0 2 0 1 l l l b b c b b −− − = 1 13 0 2 l l l b b c b b −− − = … 1 2 0 1 l l k k k b b c b b − − − + = … … … … * Điều kiện ổn định theo tiêu chuẩn Jury 1. ( )1 0A > 2. ( )1 0A − > nếu l chẵn và ( )1 0A − < nếu l lẻ. 3. ( )1l − điều kiện ràng buộc: a. 0la a< b. 1 0lb b− > c. 1 0lc c− > … Nhận xét: Như vậy bảng Jury sẽ có ( )2 3l − hàng và khi xét tính ổn định của hệ thống sẽ có ( )1l + điều kiện ràng buộc. Ví dụ 7.3: Xét ổn định của hệ có PTĐT sau theo tiêu chuẩn Jury: ( ) 3 24 2 5A z z z= + − Giải: * Điều kiện để hệ ổn định: 1. ( )1 4 2 5 1 0A = + − = > : thỏa mãn 2. 3l = lẻ, vậy ( )1 4 2 5 7 0A − = − + − = − < : thỏa mãn 3. 1 2l − = điều kiện ràng buộc: a. 05 4la a= < = : vô lý Kết luận: Hệ thống rời rạc đã cho không ổn định. Ví dụ 7.4: Xét ổn định của hệ có PTĐT sau theo tiêu chuẩn Jury: ( ) 4 316 16 4 1A z z z z= + − − Giải: Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 116 * Lập bảng Jury: 4l = , vậy bảng sẽ có 2 3 5l − = hàng. Hàng 1 -1 -4 0 16 16 2 16 16 0 -4 -1 3 3b 2b 1b 0b 4 0b 1b 2b 3b 5 2c 1c 0c Ta có: 3 1 16 255 16 1 b −= = −− 2 1 16 252 16 4 b −= = −− 1 1 0 0 16 0 b −= = 0 1 4 4816 16b − −= = 3 0 2 0 3 255 28 62721 48 255 b b c b b −= = =− 1 255 0 64260 48 252 c −= =− 0 255 252 12096 48 0 c − −= = * Điều kiện ổn định: 1. ( )1 16 16 4 1 27 0A = + − − = > : thỏa mãn 2. 4l = chẵn, ( )1 16 16 4 1 3 0A − = − + − = > : thỏa mãn 3. 1 3l − = điều kiện ràng buộc a. 01 16la a= < = : thỏa mãn b. 1 0255 48lb b− = > = : thỏa mãn c. 2 062721 12096lc c− = > = : thỏa mãn * Kết luận: Vậy hệ đã cho là ổn định. 7.2.3 Tiêu chuẩn ổn định tần số 7.2.3.1 Nguyên lý góc quay-Tiêu chuẩn Mikhailope - Dựa vào tính chất tần số của đa thức đặc tính để xét tính ổn định của hệ thống. Giả sử hệ thống ĐKTĐ có PTĐT dạng: ( ) 10 1 1 0l l n lA z a z a z a z a− −= + + + + =… (7.11) Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 117 có nghiệm là iz với 1, 2,...,i l= thì đa thức đặc tính của nó có thể chuyển sang dạng: ( ) ( )0 1 l i i A z a z z = = −∏ (7.12) Nếu xét trên mặt phẳng z thì mỗi số hạng trong đa thức trên là một vector có chân tại điểm iz và đỉnh nằm trên đường tròn đơn vị: jT jz e eω Ω= = với Tπ ω π− ≤ Ω = ≤ Vậy, ( ) ( ) 1 arg arg l i i A z z z π π π π− ≤Ω≤ − ≤Ω≤= Δ = Δ −∑ (7.13) Hình 7.5 mô tả phân bố của các vector này cho hai trường hợp iz nằm trong đường tròn đơn vị và iz nằm ngoài đường tròn đơn vị. Hình 7.5 Các vector iz z− - Khi iz nằm trong đường tròn đơn vị: vector iz z− bắt đầu quay từ điểm A ( )πΩ = − ngược chiều kim đồng hồ đến điểm B ( )0Ω = và quay tiếp đến điểm A ( )πΩ = : ( )arg 2iz z π π π − ≤Ω≤ Δ − = (7.14) - Khi iz nằm ngoài đường tròn đơn vị: vector iz z− bắt đầu quay từ điểm A ( )πΩ = − ngược chiều kim đồng hồ đến điểm C được góc 1α , tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ đến điểm D được góc α− , cuối cùng quay ngược chiều kim đồng hồ về điểm A ( )πΩ = được góc 2α . Như vậy, tổng góc quay của vector là 1 2 0α α α− + = ( )arg 0iz z π π− ≤Ω≤ Δ − = (7.15) iz iz A D C B α 2α 1α Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 118 Hệ thống ổn định khi các nghiệm của PTĐT đều nằm trong đường tròn đơn vị thì góc quay của biểu đồ vector đa thức đặc tính là: ( )arg 2iz z l π π π − ≤Ω≤ Δ − = (7.16) Trên thực tế, do tính đối xứng của các nghiệm phức nên chúng ta chỉ cần xét khi Ω thay đổi từ 0 đến π : ( ) 0 arg iz z l π π ≤Ω≤ Δ − = (7.17) Từ những phân tích trên, tiêu chuẩn ổn định theo nguyên lý góc quay của hệ thống rời rạc, tương đương với tiêu chuẩn Mikhailope trong hệ liên tục, đã phát biểu như sau: Hệ thống điều khiển rời rạc có PTĐT bậc l sẽ ổn định nếu biểu đồ vector đa thức đặc tính của nó quay một góc bằng lπ quanh gốc tọa độ khi Ω thay đổi từ 0 đến π . Ví dụ 7.4: Xét ổn định của hệ thống rời rạc có PTĐT bậc nhất: 0 1 0a z a+ = Giải: Thay cos sinjz e jΩ= = Ω+ Ω vào PTĐT ta được: 0 1 0cos sin 0a a jaΩ+ + Ω = Đặc tính phần thực: ( ) 0 1cosR a aΩ = Ω+ Đặc tính phần ảo: ( ) 0 sinI aΩ = Ω Hình 7.6a mô tả biểu đồ đa thức đặc tính của hệ ổn định (khi 1 0a a< ) còn hình 7.6b mô tả biểu đồ đa thức đặc tính của hệ không ổn định và ở biên giới ổn định (khi 1 0a a≥ ) Hình 7.6 Biểu đồ đa thức đặc tính Trong hình 7.6a: + Đường 1 tương ứng với cả hai điều kiện khi cả hai hệ số 1a và 0a đều dương. + Đường 2 tương ứng với 1a âm và 0a dương. 1 2 3 ( )R Ω ( )I Ω a) 1 2 3 ( )R Ω ( )I Ω 4 b) Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 119 + Đường 3 tương ứng với 1a dương và 0a âm. Theo tiêu chuẩn Mikhailope thì cả ba trường hợp này hệ thống đều ổn định vì biểu đồ đa thức đặc tính của nó bao gốc tọa độ một góc bằng π . Trong hình 7.6b: + Đường 1 tương ứng với cả hai điều kiện khi cả hai hệ số 1a và 0a đều âm. + Đường 2 tương ứng với 1a âm và 0a dương. + Đường 3 tương ứng với 1a dương và 0a âm. Theo tiêu chuẩn Mikhailope thì cả ba trường hợp này hệ thống đều không ổn định vì biểu đồ đa thức đặc tính của nó bao gốc tọa độ một góc bằng 0. Đường 4 ứng với trường hợp khi hệ thống ở biên giới ổn định ( )1 0a a= , biểu đồ đa thức đặc tính đi qua tâm tọa độ. 7.2.3.2 Tiêu chuẩn Nyquist - Dùng xét ổn định cho cả hệ rời rạc hở và hệ rời rạc kín dựa vào đặc tính tần – biên – pha của hệ thống hở. * Phát biểu: Nếu hệ thống điều khiển rời rạc hở ổn định (tất cả các nghiệm 1iz < ) hoặc ở biên giới ổn định (có nghiệm 1iz = ) thì hệ thống kín sẽ ổn định nếu đặc tính TBP của hệ hở không bao điểm ( )1, 0j− . * Khái niệm đường cong bao một điểm: Khái niệm bao và chứng minh tiêu chuẩn này hoàn toàn tương đương như đối với hệ thống liên tục tuyến tính. Giả sử hệ thống rời rạc hở ổn định hoặc ở biên giới ổn định có hàm truyền đạt: ( ) ( )( )h Q z W p R z = Trong đó ( )R z là đa thức đặc tính của hệ hở, bậc l và ( )Q z là đa thức tử số có bậc l< . Do hệ hở ổn định nên: ( ) 0 arg R z l π π ≤Ω≤ Δ = (7.18) Hàm truyền đạt của hệ thống kín: ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )1 h k h W z Q z W z W z R z Q z = =+ + (7.19) Đa thức đặc tính của hệ thống kín là ( ) ( ) ( )G z Q z R z= + . Theo tiêu chuẩn Mikhailope, hệ kín sẽ ổn định nếu: Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 120 ( ) 0 argG z l π π ≤Ω≤ Δ = (7.20) Xét biểu đồ của vector: ( ) ( ) ( ) ( )( )1 h Q z R z J z W z R z += + = Khi hệ kín và hệ hở ổn định thì: ( ) ( ) ( ) ( ) 0 00 arg arg + arg 0J z Q z R z R z l l π ππ π π ≤Ω≤ ≤Ω≤≤Ω≤ Δ = Δ −Δ = − =⎡ ⎤⎣ ⎦ (7.21) Biểu đồ vector ( )J z không bao tâm tọa độ. Như vậy, đặc tính TBP của hệ thống hở không bao điểm ( )1, 0j− , vì biểu đồ vector ( )J z chính là đặc tính TBP của hệ hở dịch sang phải 1 đơn vị. 7.3. KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG RỜI RẠC TUYẾN TÍNH Tương tự như hệ thống ĐKTĐ liên tục, quá trình hoạt động của một hệ điều khiển rời rạc cũng được đặc trưng bởi sự vận hành của nó ở quá trình quá độ và xác lập. Bên cạnh đó, người ta cũng quan tâm khảo sát quá trình hoạt động của hệ thống khi có nhiễu, sự nhạy cảm của hệ thống khi có sự thay đổi về thông số và cấu trúc hệ thống. Sau đây, chúng ta sẽ khảo sát chất lượng của hệ thống rời rạc ở quá trình quá độ và ở trạng thái xác lập. 7.3.1 Khảo sát chất lượng hệ thống rời rạc ở quá trình quá độ Tiêu chí ở quá trình quá độ được xác định theo hàm quá độ như ở hệ liên tục đối với hệ bậc 2 vì một mặt ở hệ bậc 2, chỉ tiêu chất lượng có thể được xác định bằng phương pháp giải tích, mặt khác các mối quan hệ này vẫn có ý nghĩa đối với các hệ bậc cao hơn. Nếu chu kỳ lấy mẫu nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ riêng của đối tượng thì điều khiển liên tục hay gián đoạn kiểu bậc thang nhờ bộ lưu giữ bậc 0 cũng cho đáp ứng giống nhau. Như vậy, tương tự như trong hệ liên tục, quá trình quá độ của hệ rời rạc cũng được đánh giá theo các tiêu chí: 1. Độ quá điều chỉnh Độ quá điều chỉnh được xác định bởi trị số cực đại của hàm quá độ so với trị số xác lập của nó: t ( )y t σ +Δ −Δ y∞ mt tσ qdt Hình 7.7 Hàm quá độ của một hệ điều khiển RR Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 121 max% 100y y y σ ∞ ∞ −= (7.22) 2. Thời gian quá độ Thời gian quá độ qdt được xác định bởi thời điểm mà hàm quá độ ( )y t không vượt ra khỏi biên giới của miền giới hạn Δ quanh trị số xác lập. 5%y∞Δ = ± hay có khi dùng 2%y∞Δ = ± . 3. Thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng mt xác định bởi thời điểm mà hàm quá độ lần đầu tiên đạt được trị số xác lập y∞ khi có quá điều chỉnh. 4. Thời gian có quá điều chỉnh Thời gian có quá điều chỉnh tσ được xác định bởi thời điểm hàm quá độ đạt cực đại. 7.3.2 Khảo sát chất lượng hệ thống rời rạc ở trạng thái xác lập Chất lượng của hệ thống của hệ thống rời rạc cũng được phản ánh qua sai số xác lập, sai số càng nhỏ hệ thống có chất lượng càng cao, nếu hệ thống có chất lượng lý tưởng thì sai số này sẽ bằng 0. Sau đây ta sẽ khảo sát sai số này. Dựa vào phần 6.4.2, ta có thể tính được sai lệch giữa tín hiệu vào và ra của hệ thống kín như sau: ( ) ( ) ( ) ( ){ } ( ) 1 1 . .LG LT FH E z U z Z W p W p W p = + (7.23) trong đó ( )e t là sai lệch tĩnh ở chế độ xác lập ( ( )e ∞ ). Theo định lý về mối quan hệ giữa hàm ảnh và hàm gốc trong biến đổi Z ta sẽ xác định được sai số xác lập hay sai lệch tĩnh ở chế độ xác lập như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 1 1lim lim 1 lim i T z z ze e iT z E z E z z − → → → −∞ = = − = (7.24) + Khi ( ) ( ) ( )1 1 zu t t U z z = → = − . Ta có sai số xác lập được xác định như sau: ( ) ( ) ( ) ( ){ }1 1lim 1 . .z LG LT FH e Z W p W p W p→∞ = + (7.25) ( )LGW p ( )LTW p ( )FHW p ( )u t ( )e t ( )e iT ( )1u t ( )y t ( )f t T Hình 7.8 Hệ thống ĐKTĐ RR tuyến tính Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 122 + Khi ( ) ( ) ( )21 Tzu t t U z z = → = − . Ta có sai số xác lập được xác định như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }1lim 1 1 . .z LG LT FH Te z Z W p W p W p→ ∞ = ⎡ ⎤− +⎣ ⎦ (7.26) 7.4 TỔNG HỢP HỆ RỜI RẠC 7.4.1 Tổng hợp hệ rời rạc trong không gian trạng thái Trong phần 6.3.3, ta đã biết cách mô tả một hệ thống rời rạc trong miền không gian trạng thái cũng như cách chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc. Các tiêu chí để tổng hợp hệ thống trong miền trạng thái là tính điều khiển được và quan sát được của nó. Các tiêu chuẩn này lần đầu tiên cho Kalman đưa ra. Giả sử hệ thống được mô tả bởi phương trình trạng thái: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 d d d d x i A x i B u i y i C x i D u i + = +⎧⎪⎨ = +⎪⎩ (7.27) Ta sẽ xác định các điều kiện quan sát được và điều khiển được như sau. 7.4.1.1 Tính điều khiển được Một hệ thống được gọi là điều khiển được nếu ta có thể tìm được một vector điều khiển ( )u i để chuyển được hệ thống từ một trạng thái ban đầu bất kỳ ( )0x đến một trạng thái cuối bất kỳ ( )x n trong một khoảng thời gian giới hạn. Hệ thống rời rạc được mô tả bởi (7.27) sẽ điều khiển được hoàn toàn khi và chỉ khi ma trận sau có hạng bằng n . 1 2. . ...n nd d d d dM A B A B B − −⎡ ⎤= ⎣ ⎦ (7.28) ( )rank M n= (7.29) Ví dụ 7.5: Cho hệ thống cấp 2 sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( )( ) 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 1 0 x i x i u i x i x i x i y i x i ⎧ +⎡ ⎤ ⎡ ⎤−⎡ ⎤ ⎡ ⎤= +⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥+ −⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎪⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎨ ⎡ ⎤⎪ = ⎢ ⎥⎪ ⎣ ⎦⎩ Xét tính điều khiển được của hệ thống? Giải: Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 123 Hệ thống trên sẽ có [ ]1 2 1, , 1 0 , 2 2 1 1d d d A B C n −⎡ ⎤ ⎡ ⎤= = = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Theo tiêu chuẩn điều khiển được hoàn toàn của Kalman, ta tính: 1 2 1 3 . . 2 1 1 1d d A B −⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Vậy 3 1 1 1 M ⎡ ⎤= ⎢ ⎥−⎣ ⎦ , det 4 0M = − ≠ nên ( )rank 2M = Kết luận: Hệ thống là điều khiển được hoàn toàn. 7.4.1.2 Tính quan sát được Một hệ thống được gọi là quan sát được nếu từ các số liệu đo được ở đầu ra, ta có thể xác định được các trạng thái ( )x i (các ước lượng trạng thái). Hệ thống rời rạc được mô tả bởi (7.27) sẽ quan sát được hoàn toàn khi và chỉ khi ma trận sau có hạng bằng n . ( ) 1' ' ' ' '. ... .nd d d d dN C A C A C−⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦ (7.30) ( )rank N n= (7.31) Ví dụ 7.6: Vẫn với hệ thống đã cho ở ví dụ 7.5, hệ thống có điều khiển được hoàn toàn không? Giải: Với các số liệu đã cho, ta có: ' ' 1 2 1 1. . 2 1 0 2d d A C ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Vậy: 1 1 0 2 N ⎡ ⎤= ⎢ ⎥−⎣ ⎦ , det 2 0N = − ≠ nên ( )rank 2N = Kết luận: Hệ thống quan sát được hoàn toàn. 7.4.2 Bộ điều chỉnh PID số Bộ điều chỉnh PID (Proportional – Intergral - Derivative) liên tục được mô tả trên hình 7.9 gồm 3 kênh song song là tỉ lệ, tích phân và vi phân. pk ik p dk p ( )e t ( )E p ( )c t ( )C p + + + Hình 7.9 Bộ điều chỉnh PID liên tục Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 124 + Khâu tỉ lệ có hệ số truyền pk + Khâu tích phân có tỉ số truyền ik p + Khâu vi phân có tỉ số truyền .dk p Đối với khâu tích phân số, ta có nhiều cách thể hiện và nếu theo phương pháp tích phân hình thang ta sẽ có hàm truyền là: ( ) ( ) 1 2 1 ik T z z + − . Còn khâu vi phân số, sau khi biến đổi ta sẽ có hàm truyền đạt là: ( ). 1 . dk z T z − Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh PID số được mô tả trên hình 7.12. ( ) ( )( ) ( )1 . 1 2 1 . i d PID p k T z k z W z k z T z + −= + +− (7.32) ( ) ( ) ( ) 2 2 22 2 2 4 2 2 1 i d p p p d dk T k k T z k T k T k z k Tz z + + + − − += − Ví dụ 7.7: Cho hệ thống điều khiển có hàm truyền đạt: ( ) ( )( )0 10 1 2 W p p p = + + và hàm truyền đạt của khâu ZOH là ( ) 1 TpLG eW p p −−= Xét hoạt động của hệ thống khi mắc thêm bộ điều khiển PID với chu kỳ lấy mẫu ( )0.1T s= ? Giải: Theo công thức (6.36) ta có: Hình 7.10 Bộ điều chỉnh PID số pk ( )e iT ( )E z ( )c iT ( )C z + + + ( ) ( ) 1 2 1 ik T z z + − ( )1dk z Tz − Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 125 ( ) ( ){ } ( ) ( )1. 1 . LTLG LT W pZ W p W p z Z p− ⎧ ⎫= − ⎨ ⎬⎩ ⎭ (7.33) Dùng công thức biến đổi z ta tính được: ( ) ( ) ( ){ } ( ) ( )( ) 0 1 . 101 . 1 2 LTQD LGW z Z W p W p z Z p p − = ⎧ ⎫⎪ ⎪= − ⎨ ⎬+ +⎪ ⎪⎩ ⎭ Vậy: ( ) ( )( )( ) 0.0453 0.904 0.905 0.819LTQD z W z z z += − − Hàm truyền đạt mạch kín khi không có bộ PID là: ( ) ( )( ) ( ) 2 0.0453 0.904 1.679 0.782 k Y z z W z U z z z += = − + (7.34) + Khi hệ thống có thêm bộ điều chỉnh PID với các tham số: 1; 0.997p ik k= = và 0dk = Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh PID là: ( ) 0.9051.0499 1PID zW z z −= − (7.35) Lúc đó hàm truyền đạt của hệ kín (bao gồm khâu ZOH, đối tượng và bộ điều chỉnh PID) là: ( ) ( ) ( ) ( )( )( ) 0.0453 0.904 . 1 0.819h PID LTQD z W z W z W z z z += = − − (7.36) Khi đó ta có thể tính được hàm truyền đạt của cả hệ kín khi có bộ điều chỉnh PID. 7.4.3 Tổng hợp hệ ổn định vô tận Một đặc điểm quan trọng của hệ thống điều khiển rời rạc khác với hệ thống tuyến tính liên tục là tồn tại khả năng ổn định vô tận. Đây chính là chỉ tiêu tác động nhanh của hệ thống điều khiển rời rạc mà cơ sở lý thuyết của nó có thể trình bày như sau: Nếu tất cả các nghiệm ip của PTĐT lùi xa đến âm vô cùng thì nó chỉ có nghiệm duy nhất 0iz = . Trong trường hợp này, PTĐT của hệ rời rạc ( ) 0G z = phải tồn tại điều kiện: 1 2 ... 0la a a= = = = (7.37) và chỉ còn lại dạng: ( ) 0. 0lG z a z= = (7.38) Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 126 Hàm truyền đạt của hệ thống có 1m l= − là: ( ) 1 20 1 2 1 0 ...l l l l l b z b z b z bW z a z − − − −+ + + += (7.39) hay ( ) 1 2 10 1 2 1... l ll lW z B z B z B z B z− − − + −− −= + + + + (7.40) trong đó 0i iB b a= . Như đã nói ở chương 6, chuyển đổi Laplace rời rạc của hàm quá độ xung là hàm truyền đạt của hệ thống rời rạc, nghĩa là: ( ) ( )* 0 pnT n W p k nT e ∞ − = = ∑ (7.41) hay viết dưới dạng toán tử z : ( ) ( ) 0 n n W z k nT z ∞ − = = ∑ (7.42) Hai công thức (7.41) và (7.42) đều mô tả hàm truyền đạt của hệ thống rời rạc nên ta có thể rút ra kết luận: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 1 10 0; ; 2 ;...; 0 khi lk k T B k T B k lT B k nT n l −= = = = = > (7.43) Như vậy, quá trình quá độ xung ( )k nT của hệ thống kết thúc trong một khoảng thời gian nhất định t lT= . Hàm quá độ xung ( )k nT là đáp ứng đầu ra của hệ thống khi tác động ở đầu vào là xung Diract. Khi đầu vào của hệ thống cho tác động bởi một hàm bất kỳ ( )x nT thì tín hiệu ra của hệ thống được xác định bằng tích chập các hàm ( )x nT và ( )k nT theo công thức: ( ) ( ) ( ) 0 . n m y nT x mT k n m T = = −⎡ ⎤⎣ ⎦∑ (7.44) Đặt j n m m n j= − → = − , ta có: ( ) ( ) ( )0 . j n y nT x n j T k jT = = −⎡ ⎤⎣ ⎦∑ (7.45) Đặt m j= và chuyển tổng từ j n= đến 0 thành 0j = đến n thì từ (7.45) ta có: ( ) ( ) ( ) 0 . n m y nT x n m T k mT = = −⎡ ⎤⎣ ⎦∑ (7.46) Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 127 Ta nhận thấy rằng, theo (7.46), khi tồn tại điều kiện (7.43) thì quá trình quá độ của hệ thống sẽ kết thúc sau một khoảng thời gian nhất định m l= do các số hạng trong (7.46) bằng 0 khi m l> và công thức này có thể chuyển thành: ( ) ( ) ( ) 0 . l m y nT x n m T k mT = = −⎡ ⎤⎣ ⎦∑ (7.47) Quá trình quá độ của hệ thống kết thúc sau một khoảng thời gian ngắn nhất dt lT= . Vì vậy hệ thống còn được gọi là tối ưu tác động nhanh. Khi tín hiệu vào là hàm bậc thang ( ).1A t thì tọa độ giá trị ra theo thời gian được xác định nhu sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 . 2 . 2 3 . 2 3 ...... . 2 ... y y T A k T y T A k T k T y T A k T k T k T y lT A k T k T k lT = = = +⎡ ⎤⎣ ⎦ = + +⎡ ⎤⎣ ⎦ = + + +⎡ ⎤⎣ ⎦ Do ( ) 0 khik nT n l= > nên các giá trị tiếp theo đều bằng ( )y lT . Quá trình quá độ kết thúc tại thời điểm t lT= . Hình 7.11 mô tả quá trình quá độ của hệ thống điều khiển rời rạc tối ưu tác động nhanh khi 1l = . Quá trình quá độ kết thúc sau 1 bước lấy mẫu. TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC TẬP CHƯƠNG 7 Về một khía cạnh nào đó, các hệ thống rời rạc tuyến tính có mối tương đồng so với các hệ thống liên tục tuyến tính: + Về tính ổn định của hệ thống, mối quan hệ giữa điều kiện ổn định của hệ thống trong miền p (hệ liên tục) và trong miền z (hệ rời rạc) được thể hiện qua bảng 7.1. Hệ thống rời rạc sẽ ổn định khi tất cả các điểm cực của hệ thống (nghiệm của PTĐT) nằm hoàn toàn trong vòng tròn đơn vị. ( 1z < ) ( )y nT tT 2T 3T Hình 7.11 Quá trình quá độ trong hệ thống tối ưu tác động nhanh Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 128 + Nếu sau khi dùng phương pháp biến đổi bảo toàn hình dạng cho hệ rời rạc, ta hoàn toàn có thể áp dụng các tiêu chuẩn xét tính ổn định cho hệ liên tục như tiêu chuẩn Routh, Hurwitz (phương pháp này chỉ xét cho các hệ có PTĐT bậc thấp). Nếu PTĐT của hệ thống có bậc cao thì ta dùng phương pháp đại số xét ổn định cho hệ thống theo tiêu chuẩn Jury. Một chú ý là hệ rời rạc khó ổn định hơn hệ liên tục (ví dụ, hệ liên tục có PTĐT bậc nhất với các hệ số dương sẽ luôn ổn định nhung hệ rời rạc thì phải kèm theo điều kiện 0 1a a> ). + Tiêu chuẩn nguyên lý góc quay trong hệ rời rạc tương đương với tiêu chuẩn Mikhailope dùng xét ổn định cho hệ liên tục tiêu tiêu chuẩn tần số. + Khi xét các chỉ tiêu chất lượng của hệ rời rạc, ta cũng chú đến các thông số như độ quá điều chỉnh cực đại, thời gian quá độ… và sai số của hệ thống ở trạng thái xác lập. + Xét đặc điểm của hệ thống trong không gian trạng thái ta cũng xét tính điều khiển được hoàn toàn và quan sát được hoàn toàn của hệ thống. Một đặc điểm của hệ thống rời rạc mà hệ thống liên tục không có là tồn tại khả năng ổn định vô hạn của hệ thống. BÀI TẬP Bài 1. Điều kiện để một hệ thống rời rạc tuyến tính ổn định là các nghiệm của PTĐT: a. Có phần thực nhỏ hơn 0 b. Có phần thực lớn hơn 0 c. Nằm trong đường tròn đơn vị d. Nằm ngoài đường tròn đơn vị Bài 2. Sau khi đặt biến phụ theo phương pháp biến đổi bảo toàn hình dạng, ta có thể xét tính ổn định của một hệ thống rời rạc theo các tiêu chuẩn ổn định của a. Hệ liên tục b. Hệ rời rạc Bài 3. Điều kiện cần để một hệ thống rời rạc ổn định là các hệ số của PTĐT dương? a. Đúng b. Sai Bài 4. Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 129 Khi tín hiệu vào ( )u t t= , sai số xác lập của hệ rời rạc được xác định theo công thức nào? a. ( ) ( ) ( ) ( ){ }1lim 1 . .z LG LT FH Te Z W p W p W p→∞ = + b. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }1 1lim 1 1 . .z LG LT FH e z Z W p W p W p→ ∞ = ⎡ ⎤− +⎣ ⎦ c. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }1lim 1 1 . .z LG LT FH Te z Z W p W p W p→ ∞ = ⎡ ⎤+ +⎣ ⎦ d. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }1lim 1 1 . .z LG LT FH Te z Z W p W p W p→ ∞ = ⎡ ⎤− +⎣ ⎦ Bài 5. Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID số? a. ( ) ( )( ) ( )1 . 1 2 1 . i d PID p k T z k z W z k z T z + −= + +− b. ( ) ( )( ) ( )1 . 1 2 1 . d i PID p k T z k z W z k z T z + −= + +− c. ( ) ( )( ) ( )1 . 1 2 1 . p d PID i k T z k z W z k z T z + −= + +− d. ( ) ( )( ) ( ). 11 2 1 . pi PID d k zk T z W z k z T z −+= + +− Bài 6. Cho hệ thống được biểu diễn trong không gian trạng thái dạng: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( )( ) 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 1 0 x i x i u i x i x i x i y i x i ⎧ +⎡ ⎤ ⎡ ⎤−⎡ ⎤ ⎡ ⎤= +⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥+ −⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎪⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎨ ⎡ ⎤⎪ = ⎢ ⎥⎪ ⎣ ⎦⎩ Ma trận điều khiển được và hạng của ma trận? Bài 7. Cho hệ thống được biểu diễn trong không gian trạng thái dạng: Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 130 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( )( ) 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 1 0 x i x i u i x i x i x i y i x i ⎧ +⎡ ⎤ ⎡ ⎤−⎡ ⎤ ⎡ ⎤= +⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥+ −⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎪⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎨ ⎡ ⎤⎪ = ⎢ ⎥⎪ ⎣ ⎦⎩ Ma trận quan sát được và hạng của ma trận? Bài 8. Với tín hiệu vào ( ) ( )1u t t= , sai số xác lập của hệ rời rạc được xác định theo công thức nào? a. ( ) ( ) ( ) ( ){ } 1lim 1 . .z LG LT FH e Z W p W p W p→∞∞ = + b. ( ) ( ) ( ) ( ){ } 1lim 1 . .z T LG LT FH e Z W p W p W p→∞ = + c. ( ) ( ) ( ) ( ){ }1 1lim 1 . .z LG LT FH e Z W p W p W p→∞ = + d. ( ) ( ) ( ){ }1 1lim 1 .z LT FH e Z W p W p→∞ = + Bài 9. Điều kiện để hệ thống có PTĐT bậc nhất dạng: 0 1 0a z a+ = ổn định theo phương pháp bảo toàn hình dạng là gì? Bài 10. Giả sử hệ thống rời rạc có PTĐT dạng: 22 3 4 0z z+ + = . Chuyển về hệ liên tục tuyến tính tương đương theo phương pháp biến đổi bảo toàn hình dạng? Bài 11. Một trong những điều kiện để hệ thống rời rạc có phương trình đặc trưng ổn định theo tiêu chuẩn Jury là: a. ( )1 0A − > nếu l chẵn và ( )1 0A − < nếu l lẻ Chương 7. Phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động rời rạc 131 b. ( )1 0A − nếu l lẻ c. ( )1 0A − = nếu l chẵn và ( )1 0A − < nếu l lẻ d. ( )1 0A − > nếu l chẵn và ( )1 0A − = nếu l lẻ Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 132 HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI VÀ ĐÁP ÁN BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Bài 1: - Vẽ được sơ đồ khối của hệ thống - Nêu được chức năng của các khối - Nêu được các tín hiệu có trong hệ thống Bài 2: Đáp án c. c. Hàm truyền đạt của hệ thống là tỉ số giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của hệ thống đó biểu diễn theo biến đổi Laplace với điều kiện đầu triệt tiêu. Bài 3: Đáp án c. c. các điểm cực (pole) Bài 4: - Từ phương trình vi phân đặc các biến trạng thái - Viết được phương trình trạng thái mô tả hệ thống dạng - x Ax Bu y Cx = +⎧⎨ =⎩  - Vẽ được sơ đồ dạng tổng quát biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái. Bài 5: - Nêu cách xây dựng hàm truyền tần số - Trình bày cách tính đặc tính biên tần, pha tần, biên tần logarithm và pha tần logarithm của hệ hở. Bài 6: - Nêu cách xây dựng hàm truyền tần số - Trình bày cách tính đặc tính biên tần, pha tần của hệ kín Bài 7: Đáp án c. c. 1 2 3. .W W W W= Bài 8: Đáp án a. a. Tín hiệu đó phải đi qua một khối mới có hàm truyền đạt chính bằng khối đó. Bài 9: Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 133 Đáp án b. b. Tín hiệu đó phải đi qua một khối mới có hàm truyền đạt bằng nghịch đảo của khối đó. Bài 10: - Chuyển tín hiệu ra từ trước ra sau khối W3. - Tìm hàm truyền đạt của hệ thống: ( ) 1 2 3 2 3 1 21 W W WW p W W W W = + + Bài 11: - Chuyển tín hiệu ra từ trước ra sau khối Wb(p). - Tìm hàm truyền đạt của hệ thống: ( ) dcbaca ba WWWWWW WWpW ++= 1 Bài 12: Đáp án a. a. ij j iW X X= Bài 13: Đáp án a. a. ( ) ( )( )1 h k h W p W p W p = + Bài 14: Đáp án b. b. Các điểm cực CHƯƠNG 2 Bài 1. Đáp án c. c. ( )1 t Bài 2. Đáp án a. Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 134 a. ( )tδ Bài 3. Đáp án d. d. Cả bốn đặc tính trên (BT, PT, TBP, PTL). Bài 4. - Chỉ có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra - Tín hiệu chỉ truyền đi một chiều, nghĩa là khi có tín hiệu vào thì có tín hiệu ra nhưng tín hiệu ra không ảnh hưởng đến tín hiệu vào. - Quá trình động học của phần tử được biểu diễn bằng phương trình vi phân không quá bậc hai. Bài 5. - Nêu được sự khác nhau về PTVP, hàm truyền đạt - Sự khác nhau giữa các đặc tính thời gian - Sự khác nhau giữa các đặc tính tần số - Sự khác nhau về mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào (theo pha) Bài 6. - Vì các đặc tính tần số có tính chất đối xứng. - Nêu được đặc tính tần số nào đối xứng qua đâu? (BT, TBP đối xứng qua trục thực, PT đối xứng qua gốc tọa độ) Bài 7. Đáp án c. c. p jω= Bài 8. Chứng minh rằng khâu trễ có ( ) ( )2 2 1R Iω ω+ = Bài 9. Đáp án c. Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 135 c. ( ) ( ) ( )2 2A R Iω ω ω= + Bài 10. Đáp án b. b. Hai tín hiệu vào và ra là đồng pha với nhau Bài 11. Đáp án b. b. Sai Bài 12. - Viết hàm truyền đạt hệ hở dưới dạng tích của các khâu cơ bản nối với nhau - Kết luận là hệ hở gồm hai khâu tích phân, một khâu quán tính bậc 1 và một khâu vi phân CHƯƠNG 3 Bài 1. Đáp án c. c. Hệ hở ở biên giới ổn định Bài 2. Đáp án a. a. Hệ thống kín ở biên giới ổn định Bài 3. Thực chất đây là bài toán tìm các tham số để hệ ổn định Bước 1. Tìm đa thức đặc trưng ( )A p của hệ thống kín ( ) ( )4 3 25 8 4 P IA p p p p K p K= + + + + + Bước 2. Xét ổn định + Điều kiện cần: 0 0 P I K K >⎧⎨ >⎩ + Điều kiện đủ: Xét ổn định theo tiêu chuẩn Routh: Bảng Routh: -4 5.76 36 16 16 IK PK Miền ổn định Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 136 ( )( ) 1 8 5 4 0 36 5 4 36 25 0 I P P I P P I K K K K K K K + − + + − + − Điều kiện ổn định: ( )( ) 36 4 36 25 P P P I K K K K <⎧⎪ + − +⎨ <⎪⎩ Kết hợp điều kiện cần ta có điều kiện để hệ ổn định là: ( )( ) 0 0 36 4 36 25 P I P P P I K K K K K K >⎧⎪ >⎪⎪ <⎨⎪ + − +⎪ <⎪⎩ Bài 4. Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền đạt của hệ hở: ( ) ( )( )h 2 2 1W 2 2 3 1 1kpp p p p p+= + + + + Hàm truyền đạt của hệ kín: ( ) ( )( )k 2 2 1W 2 2 3 1 1 2 1kpp p p p p kp+= + + + + + + PTĐT của hệ thống kín: ( )( )22 2 3 1 1 2 1 0p p p p kp+ + + + + = ( )4 3 24 10 8 2 1 1 0p p p k p⇔ + + + + + = + Điều kiện cần để hệ ổn định: 1k > − + Lập bảng Routh (sau khi chia các phần tử dòng 2 cho 2): 2 4 8 1 5 1 0 36 4 5 4 32 11 k k k k + − − + + Điều kiện ổn định là các số hạng trong cột đầu tiên của bảng Routh dương Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 137 9 0.33 8.33 k k <⎧⇒ ⎨− < <⎩ Kết với điều kiện cần, ta có điều kiện để hệ kín ổn định là: 0.33 8.33k− < < Bài 5. + Xét ổn định của hệ hở: PTĐT của hệ hở: ( )( )3 22 2 3 1 1 0p p p p+ + + + = Phương trình 1 0p + = cho ta nghiệm 1p = − Phương trình 3 22 2 3 1 0p p p+ + + = cho các nghiệm nằm bên trái trục ảo vì có 1 2 0 3. 6 . 2a a a a= > = . Vậy hệ hở ổn định. Trong trường hợp này, theo tiêu chuẩn Nyquist, hệ kín ổn định khi đặc tính TBP hệ hở không bao điểm ( )1, 0j− và có đồ thị tương đương như hình 3.11. Vậy hệ kín ổn định khi: ( ) ( ) 1 0 1 aR k R ω− −⎪⎩ ( aω là tần số mà tại đó đặc tính TBP cắt trục thực) + Khảo sát đặc tính TBP hệ hở: thay p jω= vào hàm truyền đạt hệ hở, tách phần thực và phần ảo, ta có: ( ) ( )( ) ( ) 4 2 24 3 2 5 1 2 5 1 4 4 k R j ω ωω ω ω ω ω − + = − + + − ( ) ( )( ) ( ) 3 2 24 3 4 4 2 5 1 4 4 k I j ω ωω ω ω ω ω − = − + + − Cho ( ) 0I ω = ta tìm được 1aω = . Thay vào công thức ( )R ω ta được ( ) 2R kω = − và ( )0R k= . Vậy hệ ổn định khi 2 1k− > − và 1k > − . Vậy hệ kín ổn định khi 1 2k− < < . ( )I ω ( )R ωk-1 ( )aR ω Hình 3.11 Đặc tính TBP của hệ hở khi hệ kín ổn định Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 138 Bài 6. Đáp án c. c. Số hạng cuối cùng trong cột đầu tiên của bảng Routh bằng 0 và các số hạng còn lại trong cột đầu tiên của bảng Routh dương Bài 7. Đáp án a. a. Bài 8. Đáp án b. b. Sai Bài 9. Đáp án c. c. Bài 10. Đáp án c. c. 2nπ Bài 11. Đáp án b. b. Không bao điểm ( )1, 0j− Bài 12. Đáp án a. a. kπ Bài 13. - Thay T=2, tìm được hàm truyền đạt của hệ thống kín: 2 4 2 5 kW p p = + + Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 139 Xác định được phương trình đặc trưng của hệ thống kín: 22 5 0p p+ + = - Xét tính ổn định của hệ thống theo một trong các tiêu chuẩn đã học * Điều kiện cần: 0 1 2, , 0a a a > , thoả mãn * Điều kiện đủ: Tính nghiệm của phương trình đặc trưng: 1,2 1 39 8 ip − ±= * Kết luận: hệ ổn định Bài 14. - Xác định được phương trình đặc trưng: 2 1 0p p k+ + + = - Xét ổn định + Điều kiện cần: 1k > − + Điều kiện đủ: Lập bảng Routh, xác định điều kiện để 0 0b > 0 1 0 1b k k= + > ⇒ > − + Kết luận: hệ ổn định khi 1k > − CHƯƠNG 4 Bài 1. Đáp án d. d. bậc vô sai tĩnh của hệ thống Bài 2. Đáp án c. c. ( ) 0 lim p pE p→∂ = Bài 3. Đáp án a. Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 140 a. max% 100y y y σ ∞ ∞ −= Bài 4. Đáp án a. a. 1 minI → Bài 5. Đáp án b. b. có Bài 6. Đáp án d. d. ( )1k k + Bài 7. Đáp án a. a. đúng Bài 8. Đáp án d. d. 2 2 4 0 deI e dt dt α∞ ⎡ ⎤⎛ ⎞= +⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦∫ Bài 9. - Viết được biểu thức tính sai lệch tĩnh của hệ thống - Tìm được ( )U p - Tìm được sai số 1 1k ∂ = + Bài 10. Đáp án b. b. 1 p Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 141 CHƯƠNG 5 Bài 1. Đáp án b. b. Sai Bài 2. Đáp án a. a. Khâu khuếch đại Bài 3. - Vì giá trị điều khiển x chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi 0e = . - Cho ví dụ minh họa Bài 4. Đáp án b. b. Đúng Bài 5. Đáp án d. d. Từ 0 đến 2π Bài 6. Đáp án a. a. Cho phép tồn tại sai lệch tĩnh Bài 7. Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 142 Đáp án b. b. Đúng Bài 8. Đáp án a. a. Triệt tiêu sai lệch tĩnh Bài 9. - Viết được công thức tính sai số xác lập của hệ thống ( ) ( )0lim1p h p U p W p→ ∂ = + - Từ ( )u t tìm ( )U p theo biến đổi Laplace - Tìm được sai số của hệ thống: 0∂ = Bài 10. Đáp án d. d. 2 1. . ... .nP B A B A B A B−⎡ ⎤= ⎣ ⎦ Bài 11. - Viết được công thức tính ma trận quan sát được [ ]' ' 'N C A C= - Tính ma trận quan sát được theo các thông số đã cho 1 0.5 2 1 1 0.5 0 1.5 3 0 0 1.5 N ⎡ − ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= =⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ - Xét điều kiện để hệ thống quan sát được hoàn toàn ( ) ( )det 1.5 0 2N rank N n= ≠ ⇒ = = Kết luận: Hệ quan sát được hoàn toàn Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 143 Bài 12. - Viết được công thức tính ma trận điều khiển được [ ]P B AB= - Tính ma trận điều khiển được theo các thông số đã cho 1 0.5 3 1 1 0.5 0 2 1 0 0 2 P ⎡− − − ⎤ − −⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= =⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ - Xét điều kiện để hệ thống điều khiển được hoàn toàn ( ) ( )det 2 0 2P rank P n= − ≠ ⇒ = = Kết luận: Hệ điều khiển được hoàn toàn. CHƯƠNG 6 Bài 1. Đáp án b. b. Lượng tử hóa theo thời gian Bài 2. Đáp án a. a. ( ) ( )-1 1- pTLGW p ep= Bài 3. ( ) ( )1 0y j y j+ + = với 2j i= + . Bài 4. Đáp án b. b. Sai Bài 5. ( ) 0.008 0.00267 0.01067 1 1.005 1 1.002 1 W z z z z = + −− − − Bài 6. ( ) 0.000834 0.0025 0.00334 1.0025 1 1.005 1 1.01 1 W z z z z = + −− − − Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 144 Bài 7. ( ) ( )( ) ( ) ( ) [ ] ( )( ) 1 0.1 0.1 0.1 2 1 2 1 0 0 1 . 1 0 1 . x i x i u i x ie e e x i y i x i − − − ⎧ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤+ = +⎪ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥− −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎨ ⎡ ⎤⎪ = ⎢ ⎥⎪ ⎣ ⎦⎩ Bài 8. Đáp án c. c. ( ) ( )( ) ( ) ( ){ } ( ) ( ) ( ){ } . 1 . . LG LT k LG LT FH Z W p W pY z W z U z Z W p W p W p = = + Bài 9. Đáp án a. a. ( ) ( )( ) ( ) ( ){ } ( ) ( ) ( ){ } . 1 . . LG LT k LG LT FH Z W p W pY z W z U z Z W p W p W p = = + Bài 10. Đáp án d. d. 1 1 . ; . . ; ; 2 2 2d d d d TA TA TAA I I B I T B C C D D − −⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= − + = − = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Bài 11. Đáp án b. b. ; ; ;d d d dA I TA B TB C C D D= + = = = Bài 12. - Viết được công thức tính , ,d d dA B C theo các thông số trong hệ liên tục: d d d A I TA B TB C C = +⎧⎪ =⎨⎪ =⎩ - Tính cụ thể , ,d d dA B C theo các thông số đã cho Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 145 1.125 0.375 0.5 1.75d A ⎡ ⎤= ⎢ ⎥−⎣ ⎦ 0.25 0d B ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦ [ ]1 0dC = - Viết được phương trình trạng thái biểu diễn hệ xung - số ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) 1.125 0.375 0.25 1 0.5 1.75 0 1 0 x i x i u i y i x i ⎧ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤+ = +⎪ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎨ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎪ =⎩ CHƯƠNG 7 Bài 1. Đáp án c. c. Nằm trong đường tròn đơn vị Bài 2. Đáp án a. a. Hệ liên tục Bài 3. Đáp án b. b. Sai Bài 4. Đáp án d. d. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }1lim 1 1 . .z LG LT FH Te z Z W p W p W p→ ∞ = ⎡ ⎤− +⎣ ⎦ Bài 5. Đáp án a. a. ( ) ( )( ) ( )1 . 1 2 1 . i d PID p k T z k z W z k z T z + −= + +− Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 146 Bài 6. - Viết được công thức tính ma trận điều khiển được của hệ thống số: [ ].d d dM A B B= - Tính 3 1 1 1 M ⎡ ⎤= ⎢ ⎥−⎣ ⎦ , ( )rank 2M = - Kết luận hệ điều khiển được hoàn toàn Bài 7. - Viết được công thức tính ma trận điều khiển được của hệ thống số: [ ]' '. 'd d dN C A C= - Tính 1 1 0 2 N ⎡ ⎤= ⎢ ⎥−⎣ ⎦ , ( )rank 2N = - Kết luận hệ quan sát được hoàn toàn Bài 8. Đáp án c. c. ( ) ( ) ( ) ( ){ }1 1lim 1 . .z LG LT FH e Z W p W p W p→∞ = + Bài 9. - Viết được công thức của phương pháp biến đổi bảo toàn hình dạng: 1 1 vz v += − - Xét ổn định của hệ thống trong mặt phẳng v theo phương pháp đại số như cho hệ liên tục tuyến tính - Kết luận điều kiện để hệ ổn định là 0 1a a> Bài 10. - Viết được công thức của phương pháp biến đổi bảo toàn hình dạng: 1 1 vz v += − - Tìm được phương trình tương đương trong mặt phẳng v là: 29 4 3 0v v− + = Hướng dẫn trả lời và đáp án bài tập 147 Bài 11. Đáp án a. a. ( )1 0A − > nếu l chẵn và ( )1 0A − < nếu l lẻ Tài liệu tham khảo 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lý thuyết Điều khiển tự động, Phạm Công Ngô, NXB KHKT, 2001 [2]. Cơ sở điều khiển tự động, Ngô Văn Hoà, NXB KHKT, 1999 [3]. Lý thuyết Điều khiển tự động thông thường và hiện đại, Nguyễn Thương Ngô, NXB KHKT, 2005. [4]. Điều khiển tự động, Nguyễn Thị Phương Hà, NXB KHKT, 1996 [5]. Bài tập điều khiển tự động, Nguyễn Thị Phương Hà, NXBKHKT, 1996 [6]. Automatic Control Systems, Benjamin C. Kuo, Prentice - Hall International Editions, Seventh Edition 1995. [7]. Modern Control System Theory and Design, Stanley M. Shinners, New York, 1992. [8]. Feedback Control Systems, John Van De Vegte, Prentice-Hall, 1991. [9]. Modern Control Engineering, Katsuhiko Ogata, Prentice-Hall, 1990. [10]. Digital Control System Analysis and Design, Charles L.Phillips & H.Troy Nagle, Prentice-Hall, 1992. [11]. Applied Digital Control Theory, Design and Implementation, Leigh J.R, London 1984. [12]. Computer Controlled Sysytems Theory and Design, Karl j.Astrom and Bjorn Wittenmark, Prentice-Hall Information and System Sciences Series, Thomas Kailath, Editor, 1984. Tài liệu tham khảo 149 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................................................. 3 CHƯƠNG I. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LIÊN TỤC...................... 4 NỘI DUNG ............................................................................................................................................... 4 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................................................... 4 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ TẢ ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG. .... 6 1.3 CÁC QUY TẮC BIẾN ĐỔI SƠ ĐỒ KHỐI....................................................................... 14 1.4 GRAPH TÍN HIỆU............................................................................................................ 19 TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC TẬP CHƯƠNG 1 ................................................................................ 21 BÀI TẬP ................................................................................................................................................. 21 CHƯƠNG II. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LIÊN TỤC ............... 25 NỘI DUNG ............................................................................................................................................. 25 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................................... 25 2.2 ĐẶC TÍNH THỜI GIAN CỦA PHẦN TỬ........................................................................ 26 2.3 ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA PHẦN TỬ.............................................................................. 28 2.4 CÁC KHÂU ĐỘNG HỌC CƠ BẢN ................................................................................ 31 TỔNG KẾT CÁC KHÂU ĐỘNG HỌC CƠ BẢN. ................................................................. 41 TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC TẬP CHƯƠNG 2 ................................................................................ 41 BÀI TẬP ................................................................................................................................................. 41 CHƯƠNG III. KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LIÊN TỤC ............................................................................................................................................................. 44 NỘI DUNG ............................................................................................................................................. 44 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................................... 44 3.2 ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ....................................................................... 44 3.3 CÁC TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH ĐẠI SỐ .......................................................................... 46 3.4 CÁC TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ ......................................................................... 51 3.5 PHƯƠNG PHÁP QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ ..................................................................... 54 3.6 ĐỘ DỰ TRỮ ỔN ĐỊNH.................................................................................................... 58 TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC TẬP CHƯƠNG 3 ................................................................................ 60 BÀI TẬP ................................................................................................................................................. 61 CHƯƠNG IV. KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LIÊN TỤC.... 65 Tài liệu tham khảo 150 NỘI DUNG ............................................................................................................................................. 65 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................................... 65 4.2 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG Ở TRẠNG THÁI XÁC LẬP ............... 65 4.3 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG Ở QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ................... 68 4.4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG QUA TIÊU CHUẨN TÍCH PHÂN .............. 71 TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC TẬP CHƯƠNG 4 ................................................................................ 75 BÀI TẬP ................................................................................................................................................. 75 CHƯƠNG V. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LIÊN TỤC ................................. 79 NỘI DUNG.................................................................................................................................................. 79 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................................... 79 5.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG................................. 79 5.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VỚI CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH CHUẨN PID. ..... 83 5.4 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRONG KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI ................................ 87 TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC TẬP CHƯƠNG 5 ................................................................................ 91 BÀI TẬP ................................................................................................................................................. 91 CHƯƠNG VI. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG RỜI RẠC ................... 95 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG ....................................................................................................... 95 6.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC TÍN HIỆU RỜI RẠC ...................................................................... 97 6.3 MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG RỜI RẠC ................................................................... 98 6.4 HÀM TRUYỀN ĐẠT TRONG HỆ THỐNG RỜI RẠC ................................................. 103 TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC TẬP CHƯƠNG 6 .............................................................................. 106 BÀI TẬP ............................................................................................................................................... 106 CHƯƠNG VII. PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG RỜI RẠC 110 NỘI DUNG ........................................................................................................................................... 110 7.1 GIỚI THIỆU CHUNG ..................................................................................................... 110 7.2 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG RỜI RẠC............................................................... 110 7.3. KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG RỜI RẠC TUYẾN TÍNH........................... 120 7.4 TỔNG HỢP HỆ RỜI RẠC .............................................................................................. 122 TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC TẬP CHƯƠNG 7 .............................................................................. 127 BÀI TẬP ............................................................................................................................................... 128 HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI VÀ ĐÁP ÁN BÀI TẬP.................................................................................. 132 CHƯƠNG 1 .......................................................................................................................................... 132 CHƯƠNG 2 .......................................................................................................................................... 133 Tài liệu tham khảo 151 CHƯƠNG 3 .......................................................................................................................................... 135 CHƯƠNG 4 .......................................................................................................................................... 139 CHƯƠNG 5 .......................................................................................................................................... 141 CHƯƠNG 6 .......................................................................................................................................... 143 CHƯƠNG 7 .......................................................................................................................................... 145 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................................ 148 MỤC LỤC................................................................................................................................................. 149 CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Mã số: 491LDK350 Chịu trách nhiệm bản thảo TRUNG TÂM ÐÀO TẠO BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 1 (Tài liệu này được ban hành theo Quyết định số: 828 /QĐ-TTĐT1 ngày 30/10/2006 của Giám đốc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông)

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfCơ sở điều khiển tự động.pdf
Tài liệu liên quan